KR102335321B1

KR102335321B1 - 탈부착 가능한 회로보드를 이용하여 복수의 기능들을 구현하는 초음파 치료 및 진단 장치

Info

Publication number: KR102335321B1
Application number: KR1020190163699A
Authority: KR
Inventors: 이병철; 김형민; 박기주; 이현수; 최낙원; 김홍남
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2021-12-08
Also published as: US20210169456A1; US11638575B2; KR20210073167A

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 진단치료장치는, 복수의 초음파 출력소자들로 구성된 초음파 출력부; 상기 초음파 출력부와 연결된 연결보드를 통해 탈부착이 가능하며 상기 초음파 출력부의 기능을 결정하는 회로보드; 및 상기 복수의 초음파 출력소자들 각각의 설정값을 제어하도록 구성된 제어부를 포함하며, 상기 회로보드를 교체 장착하여 치료 및 진단 기능을 선택적으로 또는 동시에 구현할 수 있도록 구성된다. 예를 들어, 펄서를 구비한 회로보드를 장착할 경우 집속초음파를 출력하여 병변을 제거하거나 치료하도록 동작할 수 있고, 펄서 및 저잡음증폭기를 구비한 회로보드를 장착할 경우 기존 이미징용 초음파를 출력하여 병변을 검출하도록 동작할 수 있고, 치료용 펄서를 구비한 회로보드와 이미징용 펄서 및 저잡음 증폭기를 구비한 회로보드를 동시에 장착할 경우 병변 지점을 치료함과 동시에 병변 지점을 검출하도록 동작할 수 있다.

Description

탈부착 가능한 회로보드를 이용하여 복수의 기능들을 구현하는 초음파 치료 및 진단 장치{ULTRASONIC THERAPY AND DIAGNOSIS APPARATUS IMPLEMENTING MULTIPLE FUNCTIONS USING DETACHABLE CIRCUIT BOARDS}

본 발명은 초음파 진단치료장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 초음파 트랜스듀서에서 출력되는 초음파 종류 및 기능을 결정하는 여러 종류의 회로보드를 선택적으로 장착/해제함으로써, 고강도 집속초음파 또는 저강도 집속초음파를 출력하여 병변을 치료하거나, 이미징용 초음파를 출력하여 병변을 검출할 수 있는 하이브리드형 초음파 진단치료장치에 관한 것이다.

[국가지원 연구개발에 대한 설명]

본 연구는 한국과학기술연구원의 주관 하에 과학기술정보통신부의 보건복지부의 연구중심병원육성사업(비침습형 초음파 기반의 신경조절 및 근육재활 시스템 개발, 과제고유번호: 1465029123), 과학기술정보통신부의 뇌과학원천기술개발사업(혈액-뇌장벽 손상 측정/제어 및 뇌단백질 변형/응집체 분석을 위한 코어 기술 개발, 과제고유번호: 1711081876), 과학기술정보통신부의 바이오, 의료기술개발사업(반도체 기술을 이용한 초음파 탐촉자 및 부착형 기기 개발, 과제고유번호: 1711093060)의 지원에 의하여 이루어진 것이다.

종래에는 환자의 통증을 완화시키거나 특정 신체 부위의 신경 세포를 자극하는 치료 방법을 수행하기 위해, 환자의 신체에 전극을 삽입하는 등의 방법이 이용되었으나, 이와 같은 물리적인 침습 과정에 의해 신체가 손상될 우려가 있었다.

최근에는 물리적인 침습 과정 없이도 환부를 자극할 수 있는 초음파 자극 치료법이 널리 이용되고 있다. 초음파는 그 강도에 따라 고강도 집속초음파(High-Intensity Focused Ultrasound; HIFU)와 저강도 집속초음파(Low-Intensity Focused Ultrasound; LIFU)로 나뉠 수 있는데, 고강도 집속초음파는 암세포, 종양, 병변 등과 같은 생체조직을 괴사시키는 등의 직접적인 치료에 이용되는 반면, 저강도 집속초음파는 신체조직을 괴사시키지 않고도 의학적 효과를 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다.

초음파의 강도를 정하는 단위는 NEMA(American Institute for Ultrasound in Medicine and National Electronics Manufacturers Administration)의 진단 초음파 장비를 위한 음향 출력 측정 기준(Acoustic Output Measurement Standard for Diagnostic Ultrasound Equipment)을 기준으로 시간평균 최고 첨두 음향 강도(spatial-peak temporal-average intensity, Ispta)와 펄스평균 최고 첨두 음향강도(spatial-peak pulseaverage intensity, Isppa)로 나타내어 진다.

초음파 종류에 대한 기준은 아직 명확하게 정해진 것은 없으나, 일반적으로 "저강도 초음파"는 식품의약품안전처의 기준을 따라 3 W/㎠ 의 시간 평균 최고 첨두 음향강도(Ispta) 미만의 음향강도를 가지는 초음파로써 신체에 손상을 입히지 않는 범위에 있는 초음파를 의미하며, 3 W/㎠ 이상의 시간 평균 최고 첨두 음향강도를 가지는 초음파를 "고강도 초음파"로 분류할 수 있다.

최근에는 저강도 집속초음파(LIFU)를 이용하여 인지장애, 불안증, 우울증 등의 신경성질환을 비침습적으로 치료하거나, 고강도 집속초음파(HIFU)를 이용하여 병변(病變, lesion)을 비침습적으로 제거하는 의료 기술이 활용되고 있다.

그러나 뇌종양 등의 병변의 위치를 실시간으로 파악하여 바로 제거하는 방식이 아니기 때문에 수술의 정밀도가 떨어질 수 밖에 없었고, 병변과 다른 조직의 경계를 정확히 파악할 수 없기 때문에 절개하지 않아도 되는 기능적으로 중요한 조직이 손상되는 리스크가 있었다.

이에, 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0074326호 또는 국제특허출원공보 WO 2012/015248 등에 개시된 바와 같이, 이미징 초음파 출력장치와 집속초음파 출력장치를 동시에 구비하여, 진단과 치료를 동시에 수행할 수 있는 하이브리드형 초음파 치료장치가 연구되고 있다.

그러나 기존의 초음파 트랜스듀서는 치료를 위한 저주파수 초음파와 이미징을 위한 고주파수 초음파를 동시에 다룰 수 없는 기술적인 한계가 있었기 때문에, 종래 기술에서는 서로 다른 목적과 기능(병변의 검출 또는 병변의 제거)을 위해 별도의 초음파 트랜스듀서를 이용해야 했으며, 각각의 트랜스듀서에 인가되는 전압 등의 차이로 인해 각 소자의 수명에 차이가 발생할 수 밖에 없었다. 이러한 연유로 수명이 짧은 소자에 이상이 생긴 경우 장치에 함께 포함된 다른 소자들도 교체해야 했으며 이로 인해 비용상의 손해가 심각하였다.

또한, 트랜스듀서 어레이형 초음파 출력장치에서 각 트랜스듀서 소자의 시간지연을 이용해 초음파의 초점 위치를 조절하는 기술은 이미징용 초음파에 한정되어 있었고, 굴곡면을 갖는 집속초음파 치료장치(예를 들어, 트랜스듀서 자체가 휘어진 형태 또는 어레이 배열 중 기판이 휘어진 형태)의 경우 초점 위치가 고정되어 있어 효과적인 치료가 어려웠다. 다양한 치료를 위해 초점의 위치를 변경하기 위해서는 초점 위치를 파악할 수 있는 고가의 추가적인 장치가 필요하다.

대한민국 공개특허공보 제10-2011-0074326호 국제특허출원공보 WO 2012/015248

본 발명은 상기한 문제점들을 해결하기 위해 착안된 것으로서, 초음파 트랜스듀서로부터 출력되는 초음파의 종류 및 기능을 결정하는 탈부착 가능한 여러 종류의 회로보드를 선택적으로 장착함으로써 치료 및 진단 기능을 선택적으로 또는 동시에 구현할 수 있는 하이브리드형 초음파 진단치료장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은, 어레이를 구성하는 초음파 트랜스듀서 각각의 시간지연을 설정하여 초음파가 집속되는 초점의 위치를 원하는 대로 조절할 수 있는 초음파 진단치료장치를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 수행하기 위한 바람직한 실시예들이 다음과 같이 제공될 수 있다.

일 실시예에 따른 초음파 진단치료장치는, 복수의 초음파 출력소자들로 구성된 초음파 출력부; 상기 초음파 출력부와 연결된 연결보드를 통해 탈부착이 가능하며, 상기 초음파 출력부의 기능을 결정하는 회로보드; 및 상기 복수의 초음파 출력소자들 각각의 설정값을 제어하도록 구성된 제어부를 포함하되, 상기 회로보드를 이용하여 복수의 기능들을 선택적으로 구현할 수 있도록 구성된다.

일 실시예에서, 상기 설정값은 상기 복수의 초음파 출력소자들 각각의 주파수, 펄스반복주파수, 충격 계수(duty cycle), 시간지연 및 초음파 출력강도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 복수의 초음파 출력소자들 각각의 시간지연을 설정함으로써 초음파가 집속되는 초점의 위치를 조절하도록 더 구성될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 회로보드는 펄서를 구비하여 상기 초음파 출력부가 고강도 집속초음파를 출력하도록 설정하는 제1 회로를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 회로보드는 펄서를 구비하여 상기 초음파 출력부가 저강도 집속초음파를 출력하도록 설정하는 제2 회로를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 회로보드는 펄서 및 저잡음증폭기를 구비하여 상기 초음파 출력부가 이미징용 초음파를 출력하도록 설정하는 제3 회로를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 초음파 진단치료장치는 상기 저잡음증폭기를 통과한 이미징용 초음파를 감지하여 이미지 신호로 처리하기 위한 처리부를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 장치는 상기 회로보드의 종류에 대응하는 서로 다른 명령들을 저장하기 위한 저장부를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 회로보드는 펄서를 구비하여 상기 초음파 출력부가 고강도 집속초음파를 출력하도록 하는 제1 회로와, 펄서를 구비하여 상기 초음파 출력부가 저강도 집속초음파를 출력하도록 하는 제2 회로와, 펄서 및 저잡음증폭기를 구비하여 상기 초음파 출력부가 이미징용 초음파를 출력하도록 하는 제3 회로를 모두 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 초음파 트랜스듀서로부터 출력되는 초음파의 종류 및 기능을 결정하는 여러 종류의 회로보드를 선택적으로 장착함으로써 치료 및 진단 기능을 선택적으로 또는 동시에 구현할 수 있다. 예를 들어, 펄서를 구비한 회로보드를 장착할 경우 초음파 트랜스듀서는 집속초음파를 출력하여 병변을 제거하거나 치료하도록 동작할 수 있고, 펄서 및 저잡음증폭기를 구비한 회로보드를 장착할 경우 초음파 트랜스듀서는 이미징용 초음파를 출력하여 병변을 검출하도록 동작할 수 있다.

이에 따르면, 동일한 규격의 초음파 트랜스듀서를 이용하여 초음파 진단 및/또는 치료 기능을 선택적으로 또는 동시에 수행할 수 있으므로, 목적과 기능에 따라 별도의 트랜스듀서를 사용해야 했던 종래의 초음파 치료장치에 비해 폭넓은 활용이 가능하다. 이 뿐만 아니라, 기존의 초음파 치료장치는 펄서, 저잡음 증폭기 등의 구성부품이 하나의 PCB 판에 제작되어 높은 전압에서 고장나기 쉬운 소자에 이상이 발생하면 PCB 판 전체를 교체해야 했으나, 본 발명에 따르면 구성부품에 이상이 발생하거나 수명이 다한 경우 장치 전체를 수리할 필요 없이 회로보드나 트랜스듀서를 교체함으로써 수리 및 유지비용을 절감할 수 있다.

나아가, 종래 기술에서는 이미징용 초음파에 국한되었던 초음파 트랜스듀서 어레이의 시간지연 설정을 통한 초점 변경 기술을 치료용 집속초음파에 확장함으로써 사용자가 초점의 위치를 원하는 대로 조절할 수 있어 편의성과 경제성이 향상된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 진단치료장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 실시예에 따른 회로보드와 연결보드의 탈부착을 나타낸 도면들이다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 어레이의 초점 위치 조절을 나타내는 도면들이다.
도 4a 내지 4c는 본 발명의 실시예들에 따른 초음파 진단치료장치의 구성과 동작을 도식적으로 나타낸 도면들이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 진단치료장치의 실제 구성을 나타낸다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 진단치료장치의 구성을 나타낸 블록도이다.

도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 초음파 진단치료장치(10)는, 복수의 초음파 출력소자들로 구성된 초음파 출력부(100), 초음파 출력부(100)와 연결된 연결보드(200)를 통해 탈부착이 가능하며 초음파 출력부(100)로부터 출력되는 초음파의 종류 및 기능을 결정하는 회로보드(310 내지 330), 및 연결부(200)와 연결되며 장치 전반을 제어하기 위한 본체부(20)로 구성된다.

일 실시예에서, 초음파 진단치료장치(10)의 본체부(20)에는 복수의 초음파 출력소자들 각각의 설정값을 제어하도록 구성된 제어부(400), 저잡음증폭기를 통과한 이미징용 초음파를 감지하여 이미지 신호로 처리하기 위한 처리부(500), 상기 회로보드의 종류에 대응하는 서로 다른 명령들을 저장하기 위한 저장부(600)기 포함될 수 있다. 또한, 각각의 구성요소들을 전기적/물리적으로 결합하여 전원을 공급하거나 제어하기 위한 전기 회로, 제어 회로, 전원 공급부 등이 더 포함될 수 있다.

이하에서는 도면들을 참조하여 실시예에 따른 초음파 진단치료장치를 구성하는 구성요소들 각각의 기능과 역할, 결합관계에 대해 상세하게 설명하기로 한다. 장치에 전원을 공급 및 제어하기 위한 회로나 전자소자 등의 부가적인 구성요소들은 본 기술분야의 일반적인 초음파 치료장치에서 이용되는 것들과 구조, 원리가 유사하므로 자세한 설명은 생략하도록 한다.

초음파 출력부(100)는 복수의 초음파 출력소자들이 1차원 또는 2차원 어레이 형태로 배열된 구조이다. 각각의 초음파 출력소자들은 초음파를 출력하는 음원(sound source)으로서, 예를 들어 압전 재료를 이용한 초음파 트랜스듀서, CMUT, PMUT, 광음향 효과를 이용하는 초음파 트랜스듀서, 또는 전자기력을 이용하는 초음파 트랜스듀서 등으로 구성될 수 있다.

일반적으로, 초음파 트랜스듀서는 압전효과 또는 자왜(磁歪) 효과를 응용하여, 20 KHz 이상의 교류 에너지를 같은 주파수의 기계적 진동으로 변환한다. 예를 들어, 트랜스듀서는 일측이 개구된 몸체와 압전소자를 포함하는 구조이며, 각 압전소자에는 전압을 인가하기 위한 전선이 연결된 구조일 수 있다. 압전소자는 수정(quartz) 및 전기석(turmaline)과 같은 압전효과를 일으키는 물질을 이용하며, 트랜스듀서는 압전소자의 압전효과를 이용해 초음파를 발생 출력시킬 수 있다. 이와 같은 트랜스듀서의 구조는 예시적일 뿐이며, 특정 구조나 효과로 한정되지 않는다. 트랜스듀서의 압전소자는 치료하고자 하는 부위와 목적에 따라 출력을 조정함으로써, 적절한 강도의 초음파를 출력할 수 있고, 출력된 초음파는 중첩을 일으켜 초음파 빔을 형성한다.

각각의 초음파 출력소자들은 치료하고자 하는 부위와 목적에 따라 주파수와 출력을 조정함으로써, 저강도 집속초음파(LIFU), 고강도 집속초음파(HIFU), 또는 신체 병변을 스캔하기 위한 이미징용 고주파수 초음파를 선택적으로 출력할 수 있도록 제작된다. 예를 들어, 고강도 집속초음파를 출력하기 위해서 상대적으로 높은 송신 민감도(Transmission Sensitivity)를 갖는 압전 세라믹(piezo ceramic)이 부착된 프로브를 이용할 수 있다. 저강도 집속초음파나 이미징용 초음파를 출력하기 위해서는 상대적으로 작은 크기의 트랜스듀서가 부착된 프로브가 이용될 수 있으나 초음파 프로브의 종류나 크기, 재질 등은 이에 한정되지 아니한다. 각 주파수의 종류에 따른 치료 및 진단 방법과 그 효과에 대해서는 후술하기로 한다.

연결보드(200)는 초음파 출력부(100) 및 제어부(400)를 회로보드(310 내지 330)와 전기적으로 연결하기 위한 구성요소로서, 회로보드(310 내지 330)가 장착/해제될 수 있는 슬롯을 구비한다. 연결보드(200)는 예를 들어, DIMM(dual in-line memory module) 보드와 같이 단자가 기판의 양측에 존재하여 양측으로부터 입출력 신호를 송수신할 수 있도록 구성된다. 도 2a에는 하나의 연결보드(200)에 하나의 회로보드(310)가 삽입 및 장착되는 구조가 도시되어 있다. 그러나 이와 같은 도시는 예시적인 것에 불과하며, 연결보드(200)는 복수의 회로보드가 동시에 장착될 수 있도록 복수의 슬롯을 구비할 수 있다.

회로보드(310 내지 330)는 종류에 따라 각각 서로 다른 회로와 소자를 구비하며, 연결보드(200)를 통해 장치에 연결되면 장치가 서로 다른 기능을 구현할 수 있도록, 즉 초음파 출력부로부터 서로 다른 종류의 초음파가 출력될 수 있도록 한다.

일 실시예에서, 도 1에 도시된 것처럼 회로보드들(310, 320, 330)은 각각의 목적에 따라 서로 다른 기능을 구현하는 회로들(제1 회로, 제2 회로, 제3회로 등)을 포함한다.

예를 들어, 도 2a를 참조하면 제1 회로보드(310)는 2개의 펄서(3101) 및 기타 소자들로 구성된 제1 회로를 포함할 수 있다. 초음파 펄서 트랜스미터는 회로를 통해 전기적인 신호를 전달하여 초음파 트랜스듀서가 초음파 펄스를 발생시키도록 한다. 도 2a와 같이 제1 회로보드(310)를 연결보드(200)에 장착하면, 펄서(3101)는 초음파 출력부(100)의 연결된 채널을 통해 초음파 출력소자가 고강도 집속초음파(HIFU)를 출력하도록 설정한다. 도 2a에는 제1 회로에 2개의 펄서가 포함된 것으로 도시되었으나, 이는 예시일 뿐이며 하나의 회로보드 상에 1개 또는 더 많은 수의 펄서가 포함될 수도 있다.

이렇게 제1 회로보드(310)가 장착되면 초음파 출력부(100)는 환자의 병변을 치료하기 위해 고강도 집속초음파를 출력한다. 고강도 집속초음파는 병변에 열적/기계적 자극을 가하여 지방융해, 근육재활, 조직의 캐비테이션, 종양제거 등의 치료를 수행하는데 이용된다. 구체적으로, 열적(thermal) 자극은 해당 초점에 초음파 빔을 조사하여 서서히 온도를 올려서 병변을 태우는 방식이고, 기계적(mechanical) 자극은 해당 초점에 연속적이고 강력한 강도의 초음파 빔을 조사하여 생체 조직을 절개하는 방식이다. 그러나 이는 치료 방식의 한 예시일 뿐이며 이에 한정되지 아니한다.

일 실시예에서, 제2 회로보드(320)는 제1 회로보드(310)와 마찬가지로 하나 또는 복수의 펄서를 구비한 제2 회로를 통해 초음파 출력부(100)가 저강도 집속초음파(LIFU)를 출력하도록 한다. 고강도 집속초음파와 저강도 집속초음파는 중심주파수와 강도(intensity)가 서로 상이한데, 이는 제어부(400)를 통해서도 전환이 가능하지만 실시예와 같이 미리 다르게 설정된 회로를 교체함으로써 간편하게 치료 방식을 변경할 수 있다.

저강도 집속초음파는 고강도 집속초음파처럼 강한 자극을 통해 병변을 직접적으로 제거하는 것이 아닌, 약한 자극을 통해 피부 리프팅, 골절치유, 연골세포 재생 등의 치료를 수행하는데 이용된다.

또 다른 실시예에 따르면, 도 2b에 도시된 것처럼, 제3 회로보드(330)는 2개의 펄서(3301)와 2개의 저잡음 증폭기(low noise amplifier)를 구비한 제3 회로를 포함할 수 있다. 초음파 펄서는 회로를 통해 전기적인 신호를 전달하여 초음파 트랜스듀서가 이미징용 초음파 펄스를 발생시키며, 저잡음 증폭기는 반사된 초음파 신호를 수신 및 증폭시켜 이미지 처리에 적합하도록 한다.

도 2b와 같이 제3 회로보드(330)를 연결보드(200)에 장착하면, 펄서(3301)는 초음파 출력부(100)의 연결된 채널을 통해 초음파 출력소자가 이미징용 초음파를 출력하도록 설정하며, 저잡음 증폭기(3302)는 수신부(도시되지 않음)가 수신한 초음파 신호의 잡음을 제거하고 증폭시켜 이미지 처리에 적합하도록 만든다.

마찬가지로, 도 2b에는 제3 회로에 2개의 펄서 및 2개의 저잡음 증폭기가 포함된 것으로 도시되었으나, 이는 예시일 뿐이며 하나의 회로보드 상에 1개 또는 더 많은 수의 펄서 및/또는 저잡음 증폭기가 포함될 수도 있다.

제어부(400)는 초음파 출력부(100)에 배열된 복수의 초음파 출력소자들 각각의 설정값을 제어하도록 구성된다. 여기서 설정값은 초음파 출력소자들 각각의 주파수(frequency), 펄스반복주파수(pulse repetitive frequency), 충격 계수(duty cycle), 시간지연(time delay), 또는 피크-피크 전압에 따른 초음파 출력강도(intensity) 등 사용자가 임의로 설정할 수 있는 입력값을 의미한다.

설정값을 입력하기 위한 입력부(도시되지 않음)는 버튼, 스위치, 마우스, 키보드, 터치스크린 등 사용자의 조작을 용이하게 하는 임의의 종류의 입력장치로 구성될 수 있다.

주파수, 펄스반복주파수, 초음파 출력강도 등의 설정값은 치료용 집속초음파의 치료 목적이나 원하는 강도에 따라 상이하게 설정될 수 있으며, 이미징용 초음파에 있어서는 펄스반복주파수를 증가시킴으로써 검출의 실시간성을 높일 수 있다.

시간지연은 초음파 출력부에 배열된 복수의 초음파 출력소자들 간의 시간지연을 의미하며, 사용자는 이를 설정함으로써 초음파가 집속되는 초점(focal point)의 위치를 조절할 수 있다.

도 3a 및 3b는 각각 시간지연값을 4ns, 768ns 간격으로 설정했을 때 각 채널들로부터 출력된 초음파 빔 라인이 집속되는 초점을 나타낸다. 여기서 초음파 채널은 총 64개(ch1 ~ ch64)로서, 이는 초음파 출력부에 포함된 초음파 출력소자(트랜스듀서)가 64개임을 의미한다. 각각의 트랜스듀서로부터 출력된 초음파 빔 라인은 한 지점(초점)에서 교차하게 되는데 이 지점에서 초음파 강도가 가장 강하게 나타나므로 치료효과가 극대화된다.

따라서 치료 부위에 정확히 초음파가 집속되도록 할 필요가 있는데, 종래에는 복수의 초음파 트랜스듀서를 오목형 기판에 배열하는 방식으로 초점을 형성하였다. 그러나 이와 같이 고정된 기판을 이용하여 초음파를 집속할 경우 하나의 초점만을 가질 수밖에 없으므로 다른 부위를 치료하기 위해서는 추가적인 장치나 기판이 필요하게 되었다.

이에, 본 발명에서는 각 트랜스듀서 채널에 시간지연을 입력하여 초점의 위치를 임의로 제어할 수 있는 기술을 제안한다. 도 3a 및 3b에 도시된 것처럼, 시간지연값을 증가시키면 초음파 빔 라인이 집속되는 초점이 트랜스듀서에 더 가깝게 형성된다. 이를 이용하면 사용자가 초점의 위치를 원하는 대로 조절할 수 있어 편의성과 경제성이 크게 향상된다.

일 실시예에서, 초음파 진단치료장치(10)는 저잡음증폭기를 통과한 이미징용 초음파를 감지하여 이미지 신호로 처리하기 위한 처리부(500)를 더 포함할 수 있다. 이미징용 초음파가 병변에 의해 반사되어 다시 장치로 들어오면 센서(도시되지 않음)는 상기 초음파를 감지하고, 처리부(500)는 시간차에 기초하여 신호를 사용자가 시각적으로 병변을 인식할 수 있도록 이미지화한다. 일 실시예에서, 처리된 이미지를 실시간으로 표시하는 디스플레이 등의 표시부(도시되지 않음)가 더 구비될 수 있다.

제어부(400)와 처리부(500)는 하나의 컴퓨터 프로세서 유닛 내에서 기능적으로 분리된 구성요소일 수도 있고, 별도의 컴퓨터 프로세서 유닛에 의해 각각 구현된 구성요소일 수도 있다. 컴퓨터 프로세서 유닛에 의한 장치의 제어 및 신호 처리 과정에 대해서는 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

저장부(600)는 초음파 진단치료장치(10)가 회로보드(310 내지 330)에 따라 상이한 기능들을 구현할 수 있도록, 회로보드의 종류에 대응하는 서로 다른 명령들을 저장하기 위한 구성요소이다. 저장부(600)에는 실시예에 따른 초음파 진단치료장치(10)를 동작시키는 프로그램 명령들을 저장 및 실행하기 위해 필요한 모든 형태의 휘발성 또는 비휘발성 메모리가 포함될 수 있다.

예를 들어, 제1 회로보드 또는 제2 회로보드를 연결하여 초음파 치료기능을 수행하고자 하는 경우, 저장부(600)에 저장된 프로그램 중 제1 회로보드(310) 또는 제2 회로보드(320)에 대응하는 프로그램이 실행되어, 초음파 출력부(100)가 고강도 집속초음파 또는 저강도 집속초음파를 출력하도록 한다. 또는, 제3 회로보드를 연결하여 초음파 진단기능을 수행하고자 하는 경우, 저장부(600)에 저장된 프로그램 중 제3 회로보드(330)에 대응하는 프로그램이 실행되어, 초음파 출력부(100)가 이미징용 초음파를 출력하도록 한다. 그리고, 제 1 회로보드(310)와 제3 회로보드(330) 또는 제 2회로보드(320)와 제 3 회로보드(330)를 동시에 연결하여 진단을 하면서 동시에 치료를 하는 하이브리드 기능을 수행하고자 하는 경우, 저장부(600)에 저장된 제1 회로보드(310)와 제3 회로보드(330)에 대응하는 프로그램, 혹은 제 2 회로보드(320)와 제 3 회로보드(330)에 대응하는 프로그램이 실행되어, 초음파 출력부(100)가 제1 회로보드(310)에서는 고강도 집속초음파, 제 2회로보드(320)에서는 저강도 집속초음파를 출력하도록 하고 제3 회로보드(330)에서는 이미징용 초음파를 출력하도록 한다. 상기 프로그램은 예를 들어 베릴로그 코드(Verilog code)이며, 사용자의 입력에 의해 (또는 자동으로) 제어부(400)의 FPGA(Field Programmable Gate Array)에 업로드될 수 있다.

이와 같이, 초음파 트랜스듀서의 기능을 결정하는 여러 종류의 회로보드를 선택적으로 장착함으로써 치료 및 진단 기능을 선택적으로 또는 동시에 구현할 수 있다. 이에 따르면, 트랜스듀서나 펄서 등의 구성요소에 이상이 발생하거나 수명이 다한 경우 장치 전체를 수리할 필요 없이 회로보드나 트랜스듀서를 교체함으로써 수리 및 유지비용을 절감할 수 있다.

도 4a 내지 4c는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 진단치료장치의 구성과 동작을 도식적으로 나타낸 도면들이다.

도 4a는 '치료모드'에서 동작하는 초음파 진단치료장치의 구성을 나타낸다. '치료모드'에서는 제1 회로 또는 제2 회로를 포함하는 회로보드를 연결하여 초음파 트랜스듀서가 고강도 집속초음파(HIFU) 또는 저강도 집속초음파(HIFU)를 출력하도록 설정된다.

도 4a를 참조하면, 4개의 슬롯을 가진 연결보드(200)에 4개의 회로보드(311, 312, 321, 322)가 장착된다. 각각의 회로보드는 2개의 초음파 펄서를 구비한다. 1개의 펄서는 8개의 초음파 트랜스듀서 채널을 제어하고, 따라서 8개(2x4개)의 펄서는 총 64개의 초음파 트랜스듀서 채널을 제어할 수 있다. 초음파 출력부(100)는 64개의 초음파 출력소자(트랜스듀서)로 구성되며, 각각의 트랜스듀서는 초음파 빔 라인을 출력하여 하나의 초점에 초음파가 집속된다. 집속초음파는 강도에 따라 병변의 열적/기계적 제거(고강도 집속초음파) 또는 피부 리프팅이나 연골세포 재생 등의 자극(저강도 집속초음파)을 수행한다. 전술하였듯이, 회로보드에 포함되는 펄서의 개수나 이에 의해 제어되는 트랜스듀서의 채널 등은 단지 예시적인 것일 뿐이며 도면에 의해 한정되지 아니한다

도 4b는 '진단모드'에서 동작하는 초음파 진단치료장치의 구성을 나타낸다. '진단모드'에서는 제3회로를 포함하는 회로보드가 연결되며 초음파 출력부(100)를 통해 초음파 트랜스듀서가 이미지용 초음파를 출력하도록 설정된다.

도 4b를 참조하면, 4개의 슬롯을 가진 연결보드(200)에 4개의 회로보드(331, 332, 333, 334)가 장착된다. 각각의 회로보드는 2개의 초음파 펄서와 2개의 저잡음 증폭기를 구비한다. 도 4a와 마찬가지로 1개의 펄서는 8개의 초음파 트랜스듀서 채널을 제어하므로, 8개의 펄서는 총 64개의 초음파 트랜스듀서 채널을 제어할 수 있다. 초음파 출력부(100)로부터 출력된 이미징용 초음파는 병변에 의해 반사되며 센서(도시되지 않음)는 이를 감지한다. 감지된 신호는 저잡음 증폭기에 의해 처리된 후 프로세서로 전송된다. 프로세서는 이에 기초하여 사용자가 병변을 식별할 수 있도록 이미지화(visualizing) 하는 작업을 처리할 수 있다. 마찬가지로, 회로보드에 포함되는 펄서의 개수나 이에 의해 제어되는 트랜스듀서의 채널 등은 단지 예시적인 것일 뿐이며 도면에 의해 한정되지 아니한다

도 4c는 치료와 진단을 동시에 수행할 수 있는 '진단-치료모드'에서 동작하는 초음파 진단치료장치의 구성을 나타낸다. '진단-치료모드'에서는 제1 내지 제3 회로를 모두 포함하는 하나의 회로보드가 연결되거나, 또는 제1 내지 제3회로 중 적어도 하나를 포함하는 복수의 회로보드들이 연결될 수 있다. 이에 따라 초음파 트랜스듀서 채널들은 각각 집속초음파를 출력하거나 이미징용 초음파를 출력하도록 설정된다.

도 4c를 참조하면, 4개의 슬롯을 가진 연결보드(200)에 2개의 치료용 회로보드(311, 312)와 2개의 진단용 회로보드(331, 332)가 장착된다. 치료용 회로보드(311, 312)는 각각 2개의 초음파 펄서를 구비하고, 진단용 회로보드(330)는 각각 2개의 초음파 펄서와 2개의 저잡음 증폭기를 구비한다. 치료용 회로보드(310)는 일부 초음파 트랜스듀서 채널(32개)을 제어하여 집속초음파를 출력하도록 하고, 진단용 회로보드(331, 332)는 나머지 초음파 트랜스듀서 채널(32개)을 제어하여 이미징용 초음파를 출력하도록 한다. 이로써 이미징용 초음파를 이용한 병변의 검출(진단)과 집속초음파를 이용한 병변의 제거(치료)를 동시에 수행할 수 있다.

상기 실시예에서는 회로보드에 포함되는 펄서 및 저잡음 증폭기 등의 구성요소의 개수를 2개씩으로 나타내었고, 각각의 펄서에 의해 제어되는 트랜스듀서 채널을 8개씩으로 나타내었으나, 이는 이해를 돕기 위한 예시일 뿐이며 회로에 포함되는 독립적인 소자의 개수와 각 소자가 제어하는 채널의 개수는 한정되지 아니한다. 예를 들어, 채널의 개수(즉, 트랜스듀서의 개수)가 총 192개로 구성된 경우, 이 중 64개의 채널은 진단용 고주파수 초음파를 출력하고 나머지 128개의 채널은 치료용 집속초음파를 출력하도록 구성될 수도 있다. 더 많은 채널을 치료용 집속초음파의 출력에 할당할수록 고강도의 자극이 가능하고, 더 많은 채널을 진단용 초음파의 출력에 할당할수록 보다 높은 해상도의 이미지 추출이 가능하다. 따라서 치료의 목적에 맞게 적절한 개수의 채널을 선택하여 이용할 수 있으므로, 종래의 고정된 개수의 채널을 이용하는 기술에 비해 활용폭이 넓다.

도 5는 일 실시예에 따른 초음파 진단치료장치의 실제 구성을 나타낸다. 본체부(20)에는 초음파 진단치료장치(10)의 구성요소를 제어하기 위한 제어부, 입력된 전기신호나 초음파 감지신호를 처리하기 위한 처리부, 구성요소들을 제어 및 처리하기 위한 프로그램 명령들이 저장되는 저장부 등이 포함될 수 있다. 전술하였듯이, 이러한 기능블록의 분류는 이해를 돕기 위해 단순하게 표현한 것으로서, 실제 동작은 하나의 컴퓨터 프로세서 및 메모리에 의해 수행되거나, 복수의 컴퓨터 프로세서 및 메모리의 유기적인 결합에 의해 수행될 수 있다.

도 5의 연결보드(200)는 회로보드를 장착할 수 있는 슬롯을 포함하며, 사용자가 원하는 기능을 수행하기 위해 적합한 회로보드를 장착하면 이에 대응하는 프로그램이 본체부(20)의 FPGA에 업로드되고, 업로드된 설정값에 따라 초음파 출력부(100)에서 치료용 및/또는 진단용 초음파를 출력하게 된다. 도시된 것처럼, 초음파 출력부(100)는 복수의 초음파 출력소자(트랜스듀서)가 배열된 어레이 형태로 구성되고, 각 트랜스듀서 채널들은 삽입된 회로보드에 의해 제어될 수 있다.

실시예에 따른 초음파 진단치료장치를 실행하기 위한 명령들은, 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.

컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.

프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

이상에 설명한 실시예들에 따른 혼합형 초음파 진단치료장치를 이용하면, 초음파 트랜스듀서의 기능을 결정하는 여러 종류의 회로보드를 선택적으로 장착함으로써 치료 및 진단 기능을 선택적으로 또는 동시에 구현할 수 있다. 예를 들어, 펄서를 구비한 회로보드를 장착할 경우 집속초음파를 출력하여 병변을 제거하거나 치료하도록 동작할 수 있고, 펄서 및 저잡음증폭기를 구비한 회로보드를 장착할 경우 이미징용 초음파를 출력하여 병변을 검출하도록 동작할 수 있다.

이에 따르면, 동일한 규격의 초음파 트랜스듀서를 이용하여 초음파 진단 및/또는 치료 기능을 선택적으로 또는 동시에 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 트랜스듀서나 펄서 등의 구성요소에 이상이 발생하거나 수명이 다한 경우 장치 전체를 수리할 필요 없이 회로보드나 트랜스듀서를 교체함으로써 수리 및 유지비용을 절감할 수 있다.

이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10: 초음파 진단치료장치
20: 본체부
100: 초음파 출력부
200: 연결보드
310, 311, 312, 320, 321, 322, 330, 331, 332: 회로보드
3101, 3301: 펄서
3302: 저잡음 증폭기
400: 제어부
500: 처리부
600: 저장부

Claims

복수의 초음파 출력소자들로 구성된 초음파 출력부;
상기 초음파 출력부와 연결된 연결보드를 통해 탈부착이 가능하며, 상기 초음파 출력부로부터 출력되는 초음파의 종류 및 기능을 결정하는 회로보드; 및
상기 복수의 초음파 출력소자들 각각의 설정값을 제어하도록 구성된 제어부를 포함하되,
상기 회로보드를 이용하여 복수의 기능들을 선택적으로 구현할 수 있도록 구성되는, 초음파 장치.
제1항에 있어서,
상기 설정값은, 상기 복수의 초음파 출력소자들 각각의 주파수, 펄스반복주파수, 충격계수, 시간지연 및 초음파 출력강도 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초음파 장치.
제2항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 복수의 초음파 출력소자들 각각의 시간지연을 설정함으로써 초음파가 집속되는 초점의 위치를 조절할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 초음파 장치.
제1항에 있어서,
상기 회로보드는, 펄서를 구비하여 상기 초음파 출력부가 고강도 집속초음파를 출력하도록 설정하는 제1 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초음파 장치.
제1항에 있어서,
상기 회로보드는, 펄서를 구비하여 상기 초음파 출력부가 저강도 집속초음파를 출력하도록 설정하는 제2 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초음파 장치.
제1항에 있어서,
상기 회로보드는, 펄서 및 저잡음증폭기를 구비하여 상기 초음파 출력부가 이미징용 초음파를 출력하도록 설정하는 제3 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초음파 장치.
제6항에 있어서,
상기 초음파 장치는, 상기 저잡음증폭기를 통과한 이미징용 초음파를 감지하여 이미지 신호로 처리하기 위한 처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 초음파 장치.
제1항에 있어서, 상기 회로보드는,
펄서를 구비하여 상기 초음파 출력부가 고강도 집속초음파를 출력하도록 하는 제1 회로와,
펄서를 구비하여 상기 초음파 출력부가 저강도 집속초음파를 출력하도록 하는 제2 회로와,
펄서 및 저잡음증폭기를 구비하여 상기 초음파 출력부가 이미징용 초음파를 출력하도록 하는 제3 회로를 모두 포함하는 것을 특징으로 하는, 초음파 장치.
제1항에 있어서,
상기 초음파 장치는 상기 연결보드를 통해 탈부착이 가능한 복수의 회로보드를 포함하고,
각각의 회로보드는, 펄서를 구비하여 상기 초음파 출력부가 고강도 집속초음파를 출력하도록 하는 제1 회로와, 펄서를 구비하여 상기 초음파 출력부가 저강도 집속초음파를 출력하도록 하는 제2 회로와, 펄서 및 저잡음증폭기를 구비하여 상기 초음파 출력부가 이미징용 초음파를 출력하도록 하는 제3 회로 중 적어도 하나의 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초음파 장치.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 회로보드의 종류에 대응하는 서로 다른 명령들을 저장하기 위한 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 초음파 장치.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 초음파 장치를 제어하기 위한 명령들로 구성되는, 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에 저장되는 컴퓨터 프로그램.